EP4200459B1 - Pvd process and device therefor - Google Patents
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- C23C14/562—Apparatus specially adapted for continuous coating; Arrangements for maintaining the vacuum, e.g. vacuum locks for coating elongated substrates
Definitions
- the invention relates to a PVD process and a device therefor.
- the US8436318 B2 describes a PVD system that uses rigid sheets as electrostatic shielding elements.
- the gas flow is only allowed to pass in one direction by electrostatically shielding the opposite side of the chamber. There is no specific control of the gas flow. Homogeneous layers cannot be produced using this method. With narrower strips, problems arise in the edge layer. Wide strips cannot be produced.
- a coating device in which the layer thickness is adjusted using guide plates.
- the guide plates are arranged at equal distances from one another and form a screen-like shield for the substrate. Their axis of rotation allows adjustment in two positions: open or closed.
- this device does not contain any special control, so the device does not achieve a homogeneous layer thickness distribution.
- a considerable flow resistance is generated when the flaps are closed. This increases energy consumption and is therefore associated with increased production costs.
- high flow resistance leads to a build-up of particles and thus to high particle concentrations.
- the gas flow in a PVD system exhibits diffuse reflection behavior, the flow in the area of the walls is reduced. If there is diffuse surface reflection on the side walls of the coating chamber, the layer thickness on the substrate in the edge area decreases significantly, since the atoms diffusely reflected on the surfaces of the side walls hinder the flow in the direction of the substrate. In addition, the material consumption increases in order to achieve the desired layer thickness in the edge area. As a result, the diffuse reflection behavior leads to a reduction in the efficiency of the evaporation process.
- the narrow selection of alloys in hot-dip galvanizing is determined by the melting temperature of the coating alloy. This means that only substances whose melting points are not too far apart can be deposited.
- the choice of alloy is limited by the nature of the substances, for example by solubility and/or polarity. Since the electrolytic deposition takes place in an aqueous medium, an electrolytic process cannot be used for certain substances, such as organic molecules or aluminum.
- the object of the invention is to provide a coating process which enables homogeneous layer thicknesses in strip-shaped substrates, in particular variably adaptable with respect to the strip width, with a maximum possible composition variation and with high energy efficiency.
- a further object of the invention is to provide a device for carrying out the method, with which homogeneous layer thicknesses are made possible for strip-shaped substrates, in particular homogeneous layer thicknesses for different substrate widths while minimizing the flow resistance, wherein the device has a simple and robust construction and has a high energy efficiency.
- the PVD method according to the invention is particularly energy-efficient and cost-saving.
- the energy required for other coating methods is distributed in the case of hot-dip galvanizing, PVD and electrolytic coating as 1:10:100.
- the PVD coating method according to the invention uses ten times less energy than an electrolytic coating method.
- the method and the device according to the invention serve to coat substrates, which are in particular strip-shaped substrates. These are, for example, rolled metal strips, such as steel strips.
- the coating is carried out in particular for the deposition of metallic layers on the substrate or strip surface, whereby the metallic layer is in particular a corrosion protection layer.
- the corrosion protection layer can be a cathodically effective layer, such as a coating of Zinc or zinc-based (i.e. made of a metal that is electrochemically less noble than the substrate) or a barrier protection layer, e.g. an aluminum layer or an aluminum-based layer.
- a barrier protection layer e.g. an aluminum layer or an aluminum-based layer.
- layer combinations of zinc, magnesium and aluminum can be used, for example.
- the method and the device relate to a strip coating that takes place in a continuous process and can be integrated inline in a processing process for a metal strip, preferably a steel strip. This enables a continuous coating of a substrate, in particular a strip-shaped substrate.
- the inventors have recognized that the requirements for innovative coating devices and in particular for flap systems consist of the adjustment of the layer thickness on the top and bottom of the substrate, a high uniformity of the layer and a low flow resistance at different bandwidths.
- the reflection behavior of the surfaces of the coating chamber and the flaps has a significant influence on the resistance of the gas flow and the layer thickness on the substrate.
- By optimizing the angle of attack on the flap system and adjusting the flaps it is possible to generate homogeneous flow resistances or homogeneous flows and thus layer thicknesses, especially with different strip widths.
- Different strip widths can exist if either the strip has different widths over the length of the strip - this is the rarer case - or if after an entire coil (spooled metal strip) with a certain strip width has passed through, the next coil has a different, different strip width. This can very often be the case in production and a method or device which enables this changeover or adjustment to a given strip width in a simple and robust manner is advantageous in terms of production technology.
- single-part or multi-part flaps are used as flow obstacles. Flaps in the sense of the invention are therefore not to be interpreted as a binary system (open or closed), but rather they act as guide vanes in the sense of a guide device.
- a low flow resistance is set by a flap configuration adapted to the substrate width and desired layer thickness, so that the pressure loss when passing through the flaps is much lower than with conventional PVD coating systems.
- the gas pressures occurring in the system are therefore much lower than, for example, with a nozzle-based coating system.
- the most homogeneous layer thickness possible is usually desired across the substrate width and length as well as the top and bottom, e.g. 3 ⁇ m layer thickness of zinc on the steel strip on the top and bottom of the steel strip.
- the invention also makes it possible to specifically control the layer thickness distribution using the control device so that, for example, the layer thickness on the top of the substrate is 5 ⁇ m and on the bottom 1 ⁇ m (or vice versa).
- An approximately stepped distribution of the layer thickness across the substrate width is also possible, whereby the minimum width of a "step" can be determined by the number and length of the flap wings.
- the steam pressure is controlled by regulating the flow resistance, which can be changed by adjusting the flap angle of attack.
- the initial flap configuration is set according to a numerical simulation of the PVD coating.
- the desired mean values of the layer thickness on the top and bottom of the substrate are designated as D OS and D US .
- layer thickness measurements are carried out.
- the local deviations between the desired layer thicknesses D OS (y) and/or D US (y) and the measured layer thicknesses dos(y) and dus(y) are treated.
- BB denotes the bandwidth
- Max OS US Max 0 ⁇ y ⁇ BB 1 ⁇ D OS y d OS y 1 ⁇ D US y d US y ⁇ Max OS , US 1 ⁇ D OS y Max d OS y Max 1 ⁇ D US y Max d US y Max
- y max is the point at which, on the top and/or bottom side of the substrate, there is a relative deviation between the measured and desired layer thickness depending on the position y and has its maximum or its maximum possible value.
- the flap angles are no longer changed as soon as the relative deviation between the desired and measured layer thickness falls below a limit value.
- the limit value at which the flap setting is no longer changed can, for example, be selected to be less than 5% if the total deviation (i.e. on both sides) is less than 10%.
- the invention thus relates to a PVD method for depositing metallic layers from a vapor phase onto a metallic substrate, in particular onto substrates with different bandwidths, wherein at least one evaporator and one substrate are present in a coating unit and there is a flow path for the coating particles between the evaporator and the substrate, wherein in the flow path there is at least one flap per substrate side, which is arranged to be rotatable about an axis of rotation for influencing the flow resistance, wherein the axis of rotation runs parallel to the substrate plane and preferably longitudinally to the transport direction of the substrate.
- the flaps have a flap angle of attack which can be adjusted by means of an adjustment device so that the flaps can be adjusted independently of one another.
- flaps work in conjunction with side panels arranged on both sides.
- the side panels are designed in one or more parts and can be moved by means of a displacement device to adapt to the respective substrate width.
- the flaps form a mono-flap (8) or a multi-flap system or a combined flap system.
- the flaps have flap wings which vary in their length and/or height and/or width, whereby an alternating flap arrangement with flap wings of different lengths is set.
- an arrangement can be selected in which the flap length is shorter at the substrate edge, in particular decreasing steadily towards the substrate edge.
- the flaps can influence the layer thickness distribution, with longer flaps representing a greater obstacle than shorter flaps.
- the flaps are arranged symmetrically away from an axis of symmetry towards the substrate edge, so that the flap angle of attack decreases continuously towards the substrate edge.
- flap angle of attack on corresponding flaps on the side of the substrate closest to the evaporator is set larger than on the associated flap mirrored over the substrate on the side of the substrate far from the evaporator.
- those flaps have their axis of rotation further away from the plane of symmetry than half the bandwidth, with the flap angle of attack being set such that the flap blades point directly at the closest substrate edge.
- the deposited layer thickness is measured in a measuring unit, wherein the adjustment device acts in conjunction with the measuring unit and the adjustment of the flap angle of attack takes place depending on the measurement results.
- a strip-shaped substrate is continuously coated in the method.
- One embodiment provides that the strip-shaped substrate is guided horizontally or vertically during coating.
- One embodiment provides that, in the case of vertical tape guidance, the opposing flaps on both sides of the substrate are positioned mirror-symmetrically. This setting has the advantage that it allows a homogeneous layer thickness to be produced on both sides of the substrate.
- One embodiment provides that, when the belt is guided horizontally, the opposing flaps on both sides of the substrate are set at different angles.
- the ratio of the layer thicknesses of the top of the substrate to the underside of the substrate is approximately 1:1.8, which means that a layer almost twice as thick would form on the underside of the substrate. Therefore, the flap setting angle on the side of the substrate near the evaporator can advantageously be set larger than that on the side far from the evaporator, in particular at least 10° larger.
- the substrate is a metal strip, in particular a steel strip, and a metallic corrosion protection layer, preferably based on zinc, is deposited as a coating.
- the invention also relates to a device for PVD coating of metallic substrates, in particular substrates with different substrate widths, in particular according to a method according to one of the preceding claims, wherein in a coating unit, which is designed in particular as a coating chamber, at least one evaporator is present and between the evaporator and a substrate that can be guided through the coating device there is a flow path for the coating particles, wherein in Flow path has at least one flap per substrate side, which is arranged to rotate about an axis of rotation to influence the flow resistance, wherein the axis of rotation runs parallel to the substrate plane and preferably longitudinally to the transport direction of the substrate.
- the flaps have a flap angle of attack which can be adjusted by means of an adjustment device so that the flaps can be adjusted independently of one another.
- the side panels are designed in one or more parts and can be moved by means of a displacement device to adapt to the respective substrate width.
- a mono-flap or a multi-flap system or a combined flap system is present in the coating unit.
- the flaps have flap wings which vary in their length and/or height and/or width, wherein an alternating flap arrangement with flap wings of different lengths can be set.
- the flaps are arranged symmetrically away from an axis of symmetry towards the substrate edge and have a flap angle of attack that steadily decreases towards the substrate edge.
- the flap angle of corresponding flaps on the side of the substrate near the evaporator is greater than the flap angle of the associated flap mirrored over the substrate on the side of the substrate far from the evaporator.
- the flap angle of attack is set in such a way that the flap blades point directly towards the nearest band edge.
- a measuring unit is arranged after the coating unit, which is coupled to the adjustment device of the flaps.
- the at least one coating unit is designed as a chamber with an inlet side and an outlet side, wherein the substrate can be guided from the inlet side to the outlet side and wherein a vacuum lock is present on the inlet side and outlet side, so that a substrate can be continuously guided through the chamber and coated.
- One embodiment of the device provides that the device is designed such that the strip-shaped substrate is guided horizontally or vertically in the chamber during coating.
- One embodiment of the device provides that, in the case of a vertical tape guide, the opposing flaps on both sides of the substrate are positioned mirror-symmetrically.
- One embodiment of the device provides that, when the belt is guided horizontally, the opposing flaps on both sides of the substrate are positioned differently.
- the coating process according to the invention is carried out in a coating system 1 ( Figure 1 ), wherein the coating system 1 comprises at least two vacuum locks 2, at least one surface activation device 3, at least one coating unit 4 and at least one measuring unit 5.
- Such a coating system 1 can have a horizontal ( Figure 1 ) and/or a vertical ( Figure 9 ) substrate guidance.
- the layer thickness can be measured locally and adjusted if necessary.
- the layer thickness can be measured using contactless measuring techniques, such as fluorescence spectroscopy.
- the coating unit 4 can be designed like a coating chamber in which at least one evaporator 6 and a flap system comprising several flaps 7 are provided for controlling the steam flow and the steam pressure.
- the conventional side walls can be replaced by side panels which can act in conjunction with the flaps 7.
- the coating unit 4 comprises at least two vacuum locks 2 and an inlet and an outlet side so that the substrate can be continuously introduced and coated.
- the evaporator 6 can be arranged on one side or on both sides of the substrate 13 to be coated.
- the flaps 7 can be designed as monoflaps 8 or as multiflaps 9, so that a plurality of monoflaps 8 form a monoflap system 10 and a plurality of multiflaps 9 form a multiflap system 11.
- a multi-flap system 11 ( Figure 3 ) at least two rows of flaps 12 are provided, which are arranged along the conveying direction of the substrate 13 or transversely to the conveying direction of the substrate 13.
- the axes of the rows of flaps 12 can be located in a plane running parallel to the substrate 13 on the side of the substrate 13 near the evaporator, on the side of the substrate 13 far from the evaporator or on both sides of the substrate 13.
- one-part or multi-part lateral panels 14 can be provided, which point towards the substrate edge 15 and can be displaced by means of one or more displacement devices 16.
- the displacement device 16 can be designed like a support arm.
- the transverse center 17 of the substrate 13 has an imaginary axis of symmetry 18 which runs transversely to the transport direction of the substrate 13.
- the flaps 7 are arranged symmetrically away from the axis of symmetry 18 towards the substrate edge 19, so that the flap angle 20 decreases symmetrically by a certain angular size towards the substrate edge 19.
- the reference value for the flap angle of attack 20 is the plane spanned by the axes of all shafts 21 of the flaps 7 on the substrate side.
- the opening angle of the flap 7 which is arranged closest to the axis of symmetry 18 is, for example, 125°.
- the opening angles away from the axis of symmetry 18 could have the following values: 125°, 90°, 60°, 35°. In this In this case, the angle change is 35°, 30° and 25° and therefore decreases towards the edge.
- the flap angles of attack are generally designated w 1 , w 2 , w 3 ,..., w n ascending from the axis of symmetry to the edge, then preferably (w i+1 - w i ) should be smaller than (wi- w i-1 ) and all (w i+1 - w i ) should be greater than 5 °, but smaller than (200 / n) °, so that the layer thickness is as constant as possible up to the edge.
- the flap angle 20 is variably adjustable depending on the substrate width and the desired layer thickness.
- the flap angle 20 of the flaps 7 pointing towards the substrate edge 19 decreases with the decreasing substrate width.
- Those flaps which are arranged outside the substrate 13, i.e. those flaps 7 whose axis of rotation is further away from the plane of symmetry 18 than half the substrate width, can preferably have a flap angle 20 so that the flap wings 22 point directly towards the nearest substrate edge 15.
- the flaps 7 pointing towards the substrate edge 19 have a smaller flap angle 20 with a narrow substrate 13 than with a wide substrate 13 ( Figure 4 ).
- the opening angle of these flap wings 22 is preferably 0°, ie no opening. This setting can increase the layer thickness at the edge of the substrate 13, since the resistance to the flow can be minimized by this setting.
- the flap angle of attack 20 is larger in the region of the transverse center 17 of the substrate 13 and decreases towards the substrate edge 19.
- a larger flap angle of attack 20 is set on the side of the substrate 13 close to the evaporator than on the side of the substrate 13 remote from the evaporator.
- shafts 21 For adjusting the flap setting angle 20, it is provided to arrange shafts 21 in a coating unit 4, which carry the flaps 7.
- the shafts 21 can be arranged along the conveying direction of the substrate 13 or transversely to the conveying direction of the substrate 13.
- the shafts 21 are arranged along the conveying direction of the substrate 13 and pass through the entire coating unit 4.
- the corresponding flaps 7 are arranged rotatably with a longitudinal edge on the shaft 21, which corresponds to an imaginary axis of rotation, and can thus be adjusted with respect to their setting angle 20 to the substrate 13.
- the axis of rotation runs parallel to the substrate plane and can run transversely or longitudinally to the transport direction of the substrate.
- An arrangement longitudinally to the transport direction can have structural advantages for the device and can advantageously improve the homogeneity the layer thickness across the substrate width. It is also possible to vary the longitudinal alignment by 5 to 45°, whereby a deviation of plus/minus 5° is still interpreted as essentially longitudinal to the transport direction. A deviation of more than 5°, i.e. a deliberate "slant setting" of the axis of rotation in relation to the transport direction, can represent an alternative embodiment, which can, however, be more challenging in terms of construction.
- the flap wings 22 can be designed in several parts in order to be able to influence the homogeneity of the layer thickness across the width of the substrate 13.
- the flaps 7 are perpendicular to the plane of the substrate 13, the flow is subjected to a correspondingly lower resistance.
- the flaps 7 can have an extension away from the shafts 21 that is so large that, in the case of flaps 7 that are arranged in the plane of the substrate 13, the free longitudinal edges of the flap 7 rest against the next shaft 21 or slightly overlap them, so that certain areas can also be blocked against the flow (e.g. when the substrate is at a standstill).
- the flap angle 20 is adjusted by means of an adjustment device 23, which can be located outside the coating unit 4. It is advantageous if each flap 7 has its own adjustment device 23.
- the flap rows 12 can be arranged on an imaginary circular path, parabola or ellipse ( Figure 5 ). Even with such a flap configuration, the flap angle of attack 20 decreases in controlled angular sizes from the axis of symmetry 18 towards the substrate edge 19. This means that the corresponding values are predetermined or specified.
- the flap angle 20 of the flaps 7 pointing towards the substrate edge 19 decreases with the decreasing substrate width.
- the flaps 7 pointing towards the substrate edge 19 have a smaller flap angle 20 with a narrow substrate 13 than with a wide substrate 13 ( Figure 6 ).
- the flap system can be designed as a mono-flap system 10 ( Figure 7 ).
- a mono-flap system 10 at least two rows of flaps 12 are also provided, which are arranged along the conveying direction of the substrate 13 or transversely to the conveying direction of the substrate 13.
- the rows of flaps 12 can be located on a plane running parallel to the substrate 13 on the side of the substrate 13 near the evaporator, on the side of the substrate 13 far from the evaporator or on both sides of the substrate 13.
- the flap rows 12 can also be arranged on an imaginary circular path, parabola or ellipse. Regardless of whether the flap rows are on a plane or on an imaginary circular path, parabola or ellipse, the flaps 7 are arranged symmetrically away from the axis of symmetry 18 towards the substrate 13 and the flap angle of attack 20 decreases symmetrically towards the substrate edge 19 by a certain angular size.
- the flap angle of attack 20 is larger than with a narrow substrate 13 ( Figure 8 ).
- Another embodiment provides a coating system 1 with a vertical substrate guide ( Figure 9 ).
- the coating system 1 comprises at least two vacuum locks 2, at least one surface activation device 3, at least one coating unit 4 and at least one measuring unit 5.
- the coating unit 4 can be designed like a coating chamber in which at least one evaporator 6 and a flap system comprising several flaps 7 are provided for controlling the steam flow and the steam pressure.
- the conventional side walls can be replaced by side panels which can act in conjunction with the flaps 7.
- the coating unit 4 comprises at least two vacuum locks 2 and an inlet and an outlet side so that the substrate 13 can be continuously introduced vertically and coated.
- the evaporator 6 can be arranged on one side or on both sides of the substrate 13 to be coated.
- the flaps 7 can be designed as monoflaps 8 or as multiflaps 9, so that a plurality of monoflaps 8 form a monoflap system 10 and a plurality of multiflaps 9 form a multiflap system 11.
- the substrate 13 is introduced vertically along the Z-axis into the coating unit 4.
- two rows of flaps 12 are provided in the coating unit 4, which are arranged on both sides of the substrate 13 on a plane running parallel to the substrate 13.
- Each row of flaps 12 comprises ten multi-flaps 10, which have a decreasing flap angle 20 away from the axis of symmetry 18. The decrease in the flap angle 20 depends on the substrate width and the desired layer thickness. It is therefore slower with a wide substrate 13 than with a narrow substrate 13 ( Figure 10 ).
- such a multi-flap system 10 works in combination with side panels 14, which can be made of one or more parts.
- the side panels 14 are arranged in a rotatable manner, for example, in the middle and/or on the outside. They are adjustable in their angle and can be designed to be horizontally and/or laterally displaceable.
- the lateral displacement of the side panels 14 is carried out by means of a displacement device 16.
- the reduction in the flap angle of attack 20 is greater with a narrow substrate 13, especially with the flaps 7 positioned radially towards the substrate edge 19 ( Figure 11 ).
- the opening angle of these multi-flaps 9 is preferably 0°, ie no opening. This setting can increase the layer thickness at the edge of the substrate 13, since the resistance to the flow can be minimized by this setting.
- the flap rows 12 can be arranged on an imaginary circular path, parabola or ellipse. Two flap rows 12 are provided and each flap row 12 can comprise ten multi-flaps 9, each of which is formed from two flap wings 22. The flap wings 22 are arranged rotatably on a shaft 21 ( Figure 12 ).
- the substrate 13 is introduced vertically along the Z-axis into the coating unit 4.
- the flap rows 12 are arranged on both sides of the substrate 13.
- the flap angle 20 is larger in the area of the transverse center 17 of the substrate 13 and increases towards the substrate edge 19. With a wide substrate 13, the decrease in the flap angle of attack 20 is slower than with a narrow substrate 13 ( Figure 13 ).
- each row of flaps 12 comprises ten mono flaps 8, which form a flap system.
- Lateral baffles 14 are also provided, which serve to control the steam flow and the steam pressure.
- the flaps 7 are designed as so-called mono-flaps 8.
- a mono-flap 8 has a flap wing 22 which is rotatably arranged on a shaft 21.
- the shaft 21 is designed as a double shaft with an inner shaft and an outer hollow shaft.
- the flap angle of attack 20 is adjusted by actuating the shafts by means of an adjusting device 23.
- the flaps 7 are designed as so-called multi-flaps 9.
- two flap wings 22 are arranged on a shaft 21, which is preferably designed as a double shaft with an inner shaft and an outer hollow shaft. This allows one flap wing 22 to be arranged on the inner shaft and one flap wing 22 on the outer hollow shaft.
- both flap wings 22 can be moved and adjusted independently of one another, whereby both the flap angle of attack 20 to the substrate 13 and the angle to one another can be adjusted. It can also be provided that the distance between the shafts 21 to one another corresponds to twice the width of a flap wing 22 or is slightly less.
- the flaps 7 have an extension such that they pass through the coating unit 4 over the entire length in the transport direction of the substrate 13.
- the effective width and the number of degrees of freedom of a flap 7 can be increased. This increases the setting variability of the flap system and thus enables better adaptation to different substrate widths.
- the flap wings 22 can be angled independently of one another in the X/Y or Z direction, so that the mono-flap system 10 or the multi-flap system 11 can be changed to any geometric configuration and angular position. Individual flaps 7 in a flap row 12 can also be adjusted independently of one another.
- the flaps 7 in a flap system can, for example, have a funnel-shaped or an arrow-shaped configuration within a flap row 12.
- one row of flaps 12 may have the funnel-shaped flap configuration and the other row of flaps 12 may have the arrow-shaped flap configuration.
- all flap rows 12 can have the same flap configuration.
- extension of the flap wings 22 can vary in length.
- all flap wings 22 have the same length.
- the flap wings 22 can be of different lengths.
- Such a flap system can have long and short flap wings.
- a multi-flap 9 can have a short and a long flap wing 22.
- flap wings 22 of different lengths By using flap wings 22 of different lengths, the control of the metal vapor can be separated from the control of the flow rate.
- the long flap wings 22 primarily serve to control the gas flow, while the short flap wings 22 act as a flow obstacle for adjusting the flow rate.
- the length of the short flap wings 22 is selected so that the gas flow is maintained even when the flaps 7 are aligned vertically. is not completely prevented. If the flaps 7 are aligned parallel to each other and parallel to the flow direction, the flow rate reaches its maximum value.
- the flap system works in combination with the side panels 14, which can be designed in one piece or in multiple pieces. Conventional side walls of a coating unit 4 are replaced by panels. This leads to higher layer thicknesses at the substrate edge 19. In addition, complete sealing off of the substrate 13 by side walls is prevented.
- the side panels 14 are arranged so that they can rotate centrally and/or externally, for example. They are adjustable in their angle and can be designed to be horizontally and/or laterally displaceable.
- the lateral displaceability of the side panels 14 is achieved by, for example, mounting them on support arms that have a corresponding degree of freedom of displacement relative to the substrate 13 and are actuated by a drive.
- each support arm contains individually controllable drives for adjusting the angle of attack of the lateral panels 14 located thereon.
- the use of the side panels 14 leads to an improved uniformity of the layer at the substrate edges 19. This is achieved by damming or shielding effects.
- the distance to the substrate 13 can be specifically changed for varying strip widths using linear guides of the side panels 14.
- the displacement of the side panels 14 by means of support arms has the advantage, compared to a conventional displacement, that no complicated mechanics with linear guides are necessary within the coating unit 4 loaded with the gaseous coating substance.
- the parameters that are taken into account when adjusting the flaps are in Figure 16 .
- the maximum distance between the axis of rotation of a flap 7 and the substrate 13 is marked with maxi.
- the smallest distance between the substrate 13 and the axis of rotation of a flap 7 closest to the substrate is marked with a.
- the opening angle ⁇ of a multi-flap 9 consists of the opening angle ⁇ of the first flap wing 22a and the opening angle ⁇ of the second flap wing 22b and is marked as the opening width b i .
- Figure 17 shows a possible layer thickness distribution, which varies across the substrate width as well as on each substrate side.
- a substrate 13 having a thickness of 1 mm is coated.
- the substrate 13 is conveyed vertically in the Z direction.
- the coating unit 4 is equipped with an evaporator 6, two side panels 14 and two rows of flaps 12, each of which comprises six monoflaps 9.
- the monoflaps 9 close to the evaporator have a funnel-shaped configuration and the monoflaps 9 far from the evaporator have an arrow-shaped configuration.
- the particle density directly at the evaporator 6 is 6.6 ⁇ 10 20 particles/m 3
- the particle density on the opposite side of the coating unit 4 is 3.9 ⁇ 10 20 particles/m 3
- the particle density on both sides of the substrate 13 is uniform and amounts to 1.42 ⁇ 10 20 particles/m 3 .
- flap system enables a uniform gas distribution on the side of the substrate 13 near the evaporator and on the side far from the evaporator, so that a homogeneous layer thickness is achieved across the entire width of the substrate.
- a high deposition efficiency can be achieved due to the very low particle density.
- this can also further reduce the risk of droplet formation on the substrate.
- the flexible adjustment of the flap angle 20 and the side panels 14 enables flexible and quick adaptation to different substrate widths.
- the invention thus succeeds in creating an efficient and flexible flap system for the vapor phase deposition of layers on substrates 13 of different widths.
- the flap system can be used to deposit uniform layers with low flow resistance.
- the invention creates a control system that includes lateral apertures 14 for the edge area of the substrate 13 and offers adjustment options for coating substrates 13 of different widths. This enables efficient system utilization.
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Description
Die Erfindung betrifft ein PVD-Verfahren und eine Vorrichtung hierfür.The invention relates to a PVD process and a device therefor.
Es ist bekannt, Substrate mittels Dampfphasenabscheidung zu beschichten.
Die
Aus der
Das Phänomen der diffusen Oberflächenreflektion ist dem Stand der Technik bekannt und tritt insbesondere in folgenden Fällen auf:
- a) Auf ebenen Metalloberflächen, die in Hochvakuum und/oder bei hohen Temperaturen behandelt wurden;
- b) Wenn das Molmassenverhältnis der Gas- und Substratmoleküle klein ist;
- c) Wenn die Translationsenergie der Gasmoleküle im Vergleich zur Oberflächenenergie mehr als ein Paar Elektronenvolt beträgt.
- (a) On flat metal surfaces treated in high vacuum and/or at high temperatures;
- b) When the molar mass ratio of the gas and substrate molecules is small;
- c) When the translational energy of the gas molecules compared to the surface energy is more than a couple of electron volts.
Weist der Gasstrom in einer PVD-Anlage ein diffuses Reflexionsverhalten auf, kommt es zu einer Verminderung der Strömung im Bereich der Wände. Bei diffuser Oberflächenreflexion an den seitlichen Beschichtungskammerwänden nimmt die Schichtdicke am Substrat im Randbereich stark ab, da die an den Oberflächen der seitlichen Wände diffus reflektierten Atome die Strömung in Richtung des Substrates behindern. Außerdem erhöht sich der Materialverbrauch um die gewünschte Schichtdicke im Randbereich zu erreichen. Demzufolge führt das diffuse Reflexionsverhalten zu einer Verringerung der Effizienz des Verdampfungsprozesses.If the gas flow in a PVD system exhibits diffuse reflection behavior, the flow in the area of the walls is reduced. If there is diffuse surface reflection on the side walls of the coating chamber, the layer thickness on the substrate in the edge area decreases significantly, since the atoms diffusely reflected on the surfaces of the side walls hinder the flow in the direction of the substrate. In addition, the material consumption increases in order to achieve the desired layer thickness in the edge area. As a result, the diffuse reflection behavior leads to a reduction in the efficiency of the evaporation process.
Um die genannten Effekte zu verringern, wurden bis jetzt komplex aufgebaute Beschichtungsanlagen unter Einsatz aufwendiger mechanischer Systeme verwendet. Jedoch wurden hierbei hohe Strömungswiderstände geschaffen und die gewünschte Homogenität der Beschichtung konnte nicht sichergestellt werden.To reduce the effects mentioned, complex coating systems using complex mechanical systems have been used up to now. However, this created high flow resistance and the desired homogeneity of the coating could not be ensured.
Es ist ebenfalls bekannt, Substrate mittels Schmelztauchverzinken oder elektrolytisch zu beschichten. Hierbei ist allerdings die Legierungsauswahl stark eingeschränkt.It is also known to coat substrates using hot-dip galvanizing or electrolytic coating. However, the choice of alloys is very limited.
Die enge Legierungsauswahl beim Schmelztauschverzinken wird durch die Schmelztemperatur der Beschichtungslegierung bedingt. Somit können nur Substanzen abgeschieden werden, deren Schmelzpunkte nicht zu weit auseinander liegen.The narrow selection of alloys in hot-dip galvanizing is determined by the melting temperature of the coating alloy. This means that only substances whose melting points are not too far apart can be deposited.
Bei einer elektrolytischen Beschichtung wiederum ist die Legierungsauswahl durch die Natur der Substanzen beschränkt, beispielsweise durch Löslichkeit und/oder Polarität. Da die elektrolytische Abscheidung in einem wässrigen Medium stattfindet, kann ein elektrolytisches Verfahren für gewisse Substanzen, wie beispielsweise organische Moleküle oder Aluminium, keine Anwendung finden.In the case of electrolytic coating, the choice of alloy is limited by the nature of the substances, for example by solubility and/or polarity. Since the electrolytic deposition takes place in an aqueous medium, an electrolytic process cannot be used for certain substances, such as organic molecules or aluminum.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Beschichtungsverfahren zu schaffen, welches bei bandförmigen Substraten homogene Schichtdicken, insbesondere variabel adaptierbar bezogen auf die Bandbreite, mit einer maximal möglichen Zusammensetzungsvariation und mit einer hohen Energieeffizienz ermöglicht.The object of the invention is to provide a coating process which enables homogeneous layer thicknesses in strip-shaped substrates, in particular variably adaptable with respect to the strip width, with a maximum possible composition variation and with high energy efficiency.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.The problem is solved with the features of claim 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.Advantageous further developments are identified in the dependent subclaims.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, mit dem homogene Schichtdicken bei bandförmigen Substraten, insbesondere homogene Schichtdicken bei unterschiedlichen Substratbreiten bei Minimierung des Strömungswiderstandes ermöglicht werden, wobei die Vorrichtung einen einfachen und robusten Aufbau aufweist und eine hohe Energieeffizienz besitzt.A further object of the invention is to provide a device for carrying out the method, with which homogeneous layer thicknesses are made possible for strip-shaped substrates, in particular homogeneous layer thicknesses for different substrate widths while minimizing the flow resistance, wherein the device has a simple and robust construction and has a high energy efficiency.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.The problem is solved with the features of
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.Advantageous further developments are identified in the dependent subclaims.
Erfindungsgemäß werden ein PVD-Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens geschaffen. Es wurde herausgefunden, dass das erfindungsgemäße PVD-Verfahren besonders energieeffizient und kostensparend ist. Die benötigte Energie bei anderen Beschichtungsverfahren verteilt sich bei Schmelztauschverzinken, PVD- und einer elektrolytischen Beschichtung entsprechend wie 1 : 10: 100. Somit wird bei dem erfindungsgemäßen PVD-Beschichtungsverfahren zehnmal weniger Energie verbraucht als bei einem elektrolytischen Beschichtungsverfahren.According to the invention, a PVD method and a device for carrying out the method are created. It has been found that the PVD method according to the invention is particularly energy-efficient and cost-saving. The energy required for other coating methods is distributed in the case of hot-dip galvanizing, PVD and electrolytic coating as 1:10:100. Thus, the PVD coating method according to the invention uses ten times less energy than an electrolytic coating method.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung dienen dem Beschichten von Substraten, die insbesondere bandförmige Substrate sind. Dieses sind z.B. gewalzte Metallbänder, wie z.B. Stahlbänder. Die Beschichtung erfolgt insbesondere zum Abscheiden von metallischen Schichten auf der Substrat- bzw. Bandoberfläche, wobei es sich bei der metallischen Schicht insbesondere um eine Korrosionsschutzschicht handelt. Die Korrosionsschutzschicht kann dabei eine kathodisch wirksame Schicht, wie z.B. eine Beschichtung aus Zink oder auf der Basis von Zink sein (also aus einem zum Substrat elektrochemisch unedleren Metall) oder eine Barriereschutzschicht sein, z.B. eine Aluminiumschicht oder eine Schicht auf Basis von Aluminium. Aber auch andere metallische Elemente bzw. Kombinationen der genannten Schichten mit den genannten metallischen Elementen, insbesondere Magnesium, Nickel, Chrom, Silizium und deren Legierungen, können abgeschieden werden. Hinsichtlich des Korrosionsschutzes können beispielsweise Schichtkombinationen aus Zink, Magnesium und Aluminium Anwendung finden.The method and the device according to the invention serve to coat substrates, which are in particular strip-shaped substrates. These are, for example, rolled metal strips, such as steel strips. The coating is carried out in particular for the deposition of metallic layers on the substrate or strip surface, whereby the metallic layer is in particular a corrosion protection layer. The corrosion protection layer can be a cathodically effective layer, such as a coating of Zinc or zinc-based (i.e. made of a metal that is electrochemically less noble than the substrate) or a barrier protection layer, e.g. an aluminum layer or an aluminum-based layer. But other metallic elements or combinations of the layers mentioned with the metallic elements mentioned, in particular magnesium, nickel, chromium, silicon and their alloys, can also be deposited. With regard to corrosion protection, layer combinations of zinc, magnesium and aluminum can be used, for example.
Insbesondere betreffen das Verfahren und die Vorrichtung eine Bandbeschichtung, die im Durchlauf erfolgt und insbesondere inline in einen Verarbeitungsprozess eines Metallbandes, bevorzugt eines Stahlbandes, integriert sein kann. Hiermit wird eine kontinuierliche Beschichtung eines Substrats, insbesondere eines bandförmigen Substrats, ermöglicht.In particular, the method and the device relate to a strip coating that takes place in a continuous process and can be integrated inline in a processing process for a metal strip, preferably a steel strip. This enables a continuous coating of a substrate, in particular a strip-shaped substrate.
Die Erfinder haben erkannt, dass die Anforderungen an innovative Beschichtungsvorrichtungen und insbesondere an Klappensysteme in der Einstellung der Schichtdicke auf der Ober- und Unterseite des Substrates, einer hohen Gleichmäßigkeit der Schicht und in einem geringen Strömungswiderstand bei unterschiedlicher Bandbreite bestehen.The inventors have recognized that the requirements for innovative coating devices and in particular for flap systems consist of the adjustment of the layer thickness on the top and bottom of the substrate, a high uniformity of the layer and a low flow resistance at different bandwidths.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass ein erheblicher Einfluss des Reflexionsverhaltens der Oberflächen der Beschichtungskammer und der Klappen auf den Widerstand der Gasströmung und die Schichtdicke an dem Substrat besteht. Durch Optimierung der Anstellwinkel an dem Klappensystem sowie Anpassung der Klappen gelingt es, homogene Strömungswiderstände bzw. homogene Strömungen und damit Schichtdicken, insbesondere bei unterschiedlichen Bandbreiten zu erzeugen. Unterschiedliche Bandbreiten können dann vorliegen, wenn entweder das Band über die Bandlänge unterschiedliche Breiten aufweist - dies ist der seltenere Fall - oder nach dem Durchlauf eines gesamten Coils (gespulten Metallbands) mit einer bestimmten Bandbreite das nächste Coil eine andere, davon unterschiedliche Bandbreite aufweist. Dies kann in der Produktion sehr häufig der Fall sein und ein Verfahren welches bzw. Vorrichtung welche diese Umstellung bzw. Anpassung auf eine vorgegebene Bandbreite einfach und robust ermöglicht, ist produktionstechnisch vorteilhaft.According to the invention, it was recognized that the reflection behavior of the surfaces of the coating chamber and the flaps has a significant influence on the resistance of the gas flow and the layer thickness on the substrate. By optimizing the angle of attack on the flap system and adjusting the flaps, it is possible to generate homogeneous flow resistances or homogeneous flows and thus layer thicknesses, especially with different strip widths. Different strip widths can exist if either the strip has different widths over the length of the strip - this is the rarer case - or if after an entire coil (spooled metal strip) with a certain strip width has passed through, the next coil has a different, different strip width. This can very often be the case in production and a method or device which enables this changeover or adjustment to a given strip width in a simple and robust manner is advantageous in terms of production technology.
Nach der Erfindung werden somit einteilige oder mehrteilige Klappen als Strömungshindernisse verwendet. Klappen im Sinne der Erfindung sind daher nicht als binäres System (offen oder geschlossen) zu interpretieren, sondern im Sinne einer Leiteinrichtung wirken sie als Leitflügel.According to the invention, single-part or multi-part flaps are used as flow obstacles. Flaps in the sense of the invention are therefore not to be interpreted as a binary system (open or closed), but rather they act as guide vanes in the sense of a guide device.
Hierbei wird durch eine an die Substratbreite und gewünschter Schichtdicke angepasste Klappenkonfiguration ein geringer Strömungswiderstand eingestellt, sodass der Druckverlust beim Durchgang durch die Klappen viel geringer als bei konventionellen PVD-Beschichtungssystemen ist. Die im System auftretenden Gasdrücke sind hierdurch wesentlich geringer als beispielswese bei einer auf Düsen-basierten Beschichtungsanlage.A low flow resistance is set by a flap configuration adapted to the substrate width and desired layer thickness, so that the pressure loss when passing through the flaps is much lower than with conventional PVD coating systems. The gas pressures occurring in the system are therefore much lower than, for example, with a nozzle-based coating system.
Üblicherweise sind bei industrieller Produktion möglichst homogene Schichtdicken über die Substratbreite und Substratlänge sowie Ober- und Unterseite gewünscht, bspw. 3 µm Schichtdicke an Zink auf dem Stahlband auf der Ober- und Unterseite des Stahlbands. Durch die Erfindung ist es jedoch auch möglich gezielt durch die Leiteinrichtung die Schichtdickenverteilung so zu regeln, dass bspw. die Schichtdicke auf der Oberseite des Substrats 5 µm aufweist und auf der Unterseite 1 µm (oder umgekehrt). Gleichermaßen ist auch eine annähernd stufige Verteilung der Schichtdicke über die Substratbreite möglich, wobei die minimale Breite einer "Stufe" durch die Anzahl und Länge der Klappenflügel bestimmt werden kann.In industrial production, the most homogeneous layer thickness possible is usually desired across the substrate width and length as well as the top and bottom, e.g. 3 µm layer thickness of zinc on the steel strip on the top and bottom of the steel strip. However, the invention also makes it possible to specifically control the layer thickness distribution using the control device so that, for example, the layer thickness on the top of the substrate is 5 µm and on the bottom 1 µm (or vice versa). An approximately stepped distribution of the layer thickness across the substrate width is also possible, whereby the minimum width of a "step" can be determined by the number and length of the flap wings.
Die Steuerung des Dampfdruckes erfolgt durch die Regulierung des Strömungswiderstands, welcher durch die Einstellung der Klappenanstellwinkel verändert werden kann.The steam pressure is controlled by regulating the flow resistance, which can be changed by adjusting the flap angle of attack.
Der Dampfdruck p(T) wird nach der Clausius-Clapeyron-Gleichung aus der Verdampfungsenthalpie ΔH und der universellen Gaskonstante R für eine bestimmte Temperatur T berechnet:
Durch die Einstellung des Dampfdrucks lässt sich die Abscheidungsrate rsteuern, welche unter Berücksichtigung der 1-dimensionalen Maxwell-Bolzmann-Verteilung für einen Dampf mit der Molmasse M berechnet wird:
Für die Partikeldichte ρ gilt:
Soll das Substrat mit einer Rate (Masse/Fläche/Zeit) von r beschichtet werden, so gilt für die Strömungsgeschwindigkeit v:
Nach der Änderung der Klappenanstellwinkel ändert sich der Strömungszustand. Die Differenz D vom alten zum neuen stationären Strömungszustand nimmt gemäß
Aus den obigen Beziehungen ergibt sich die Zeitkonstante τ:
Hierbei ist beispielsweise die Zeitkonstante τ für ein Kammervolumen von 20 m3 und einer Verdampferfläche von 4 m2 bei 500 °C ca. 0,04 s. Soll der stationäre Zustand zu 99 % erreicht sein, ist dafür die Zeit t nötig, welche in diesem Fall 0,2 s beträgt:
Während des Beschichtungsvorgangs wird die anfängliche Klappenkonfiguration gemäß einer numerischen Simulation der PVD-Beschichtung eingestellt. Die gewünschten Mittelwerte der Schichtdicke auf der Ober- und Unterseite des Substrats werden hierbei als D OS und D US gekennzeichnet. Während der Beschichtung werden Schichtdickenmessungen durchgeführt. Sobald die Mittelwerte einer traversierenden Messung nach der Beschichtungskammer mit dos und dus vorliegen, wird zuerst die Bandgeschwindigkeit v und/oder die Verdampferleistung P auf v' und P' angepasst, wobei entweder v oder P oder beide variiert werden können gemäß:
Im nächsten Schritt werden die lokalen Abweichungen zwischen den gewünschten Schichtdicken D OS (y) und/oder DUS(y) und den gemessenen Schichtdicken dos(y) und dus(y) behandelt. Hierfür wird die folgende Beziehung angewandt (BB bezeichnet dabei die Bandbreite):
Befindet sich beispielsweise die Stelle ymax auf der Unterseite des Substrats, werden zuerst sämtliche Klappenwinkel ai mit den Öffnungsbreiten bi gemäß ihren Abständen maxi zur Klappe i korrigiert:
Befindet sich die Stelle ymax hingegen auf der Oberseite des Substrats, werden zuerst auf der Oberseite sämtliche Klappenwinkel αi mit den Öffnungsbreiten bi gemäß ihren Abständen maxi zur Klappe i verstellt:
Der Exponent n mit 1 <= n <= 3 ist hierbei fest und wird durch Erfahrung so optimiert, dass der beschriebene iterative Algorithmus mit möglichst wenigen Iterationen zur gewünschten Schichtdicke führt.The exponent n with 1 <= n <= 3 is fixed and is optimized through experience so that the described iterative algorithm leads to the desired layer thickness with as few iterations as possible.
Um ein unnötiges Verstellen der Klappen zu vermeiden, werden die Klappenwinkel nicht mehr verändert, sobald die relative Abweichung zwischen gewünschter und gemessener Schichtdicke einen Grenzwert unterschritten hat. Der Grenzwert, bei welchem die Klappenanstellung nicht mehr geändert wird, kann beispielsweise bei einer Abweichung von insgesamt (also beidseitig) weniger als 10 % bevorzugt geringer als 5 % gewählt werden.To avoid unnecessary adjustment of the flaps, the flap angles are no longer changed as soon as the relative deviation between the desired and measured layer thickness falls below a limit value. The limit value at which the flap setting is no longer changed can, for example, be selected to be less than 5% if the total deviation (i.e. on both sides) is less than 10%.
Somit betrifft die Erfindung ein PVD-Verfahren zum Abscheiden von metallischen Schichten aus einer Dampfphase auf ein metallisches Substrat, insbesondere auf Substraten mit unterschiedlicher Bandbreite, wobei in einer Beschichtungseinheit mindestens ein Verdampfer und ein Substrat vorhanden sind und zwischen dem Verdampfer und dem Substrat ein Strömungsweg für die Beschichtungspartikel besteht, wobei im Strömungsweg mindestens eine Klappe pro Substratseite vorhanden ist, welche um eine Drehachse zur Beeinflussung des Strömungswiderstands drehbar angeordnet ist, wobei die Drehachse parallel zur Substratebene und vorzugsweise längs zur Transportrichtung des Substrats verläuft.The invention thus relates to a PVD method for depositing metallic layers from a vapor phase onto a metallic substrate, in particular onto substrates with different bandwidths, wherein at least one evaporator and one substrate are present in a coating unit and there is a flow path for the coating particles between the evaporator and the substrate, wherein in the flow path there is at least one flap per substrate side, which is arranged to be rotatable about an axis of rotation for influencing the flow resistance, wherein the axis of rotation runs parallel to the substrate plane and preferably longitudinally to the transport direction of the substrate.
Es ist vorteilhaft, wenn die Klappen einen Klappenanstellwinkel besitzen, welcher mittels einer Verstelleinrichtung verstellbar ist, sodass die Klappen unabhängig voneinander verstellbar sind.It is advantageous if the flaps have a flap angle of attack which can be adjusted by means of an adjustment device so that the flaps can be adjusted independently of one another.
Zudem ist es vorteilhaft, wenn die Klappen in Verbindung mit beidseitig angeordneten, seitlichen Blenden wirken.It is also advantageous if the flaps work in conjunction with side panels arranged on both sides.
Vorteilhafterweise sind die seitlichen Blenden einteilig oder mehrteilig ausgebildet und mittels einer Verschiebeinrichtung zur Adaptierung an die jeweilige Substratbreite verschiebbar.Advantageously, the side panels are designed in one or more parts and can be moved by means of a displacement device to adapt to the respective substrate width.
In einer vorteilhaften Ausführungsform bilden die Klappen ein Monoklappen- (8) oder ein Multiklappensystem oder ein kombiniertes Klappensystem.In an advantageous embodiment, the flaps form a mono-flap (8) or a multi-flap system or a combined flap system.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weisen die Klappen Klappenflügel auf, welche in ihrer Länge und/oder Höhe und/oder Breite variieren, wobei eine alternierende Klappenanordnung mit unterschiedlich langen Klappenflügeln eingestellt wird.In a particularly advantageous embodiment, the flaps have flap wings which vary in their length and/or height and/or width, whereby an alternating flap arrangement with flap wings of different lengths is set.
Hierbei kann besonders vorteilhaft eine Anordnung gewählt werden, bei welcher die Klappenflügellänge am Substratrand kürzer ist, insbesondere zum Substratrand hin stetig abnimmt. Die Klappenflügel können die Schichtdickenverteilung beeinflussen wobei längere Klappenflügel ein höheres Hindernis darstellen als kürzere Klappenflügel.In this case, an arrangement can be selected in which the flap length is shorter at the substrate edge, in particular decreasing steadily towards the substrate edge. The flaps can influence the layer thickness distribution, with longer flaps representing a greater obstacle than shorter flaps.
Es ist erfindungsgemäß, wenn die Klappen von einer Symmetrieachse weg zum Substratrand hin symmetrisch angeordnet sind, sodass der Klappenanstellwinkel zum Substratrand hin stetig abnimmt.It is according to the invention if the flaps are arranged symmetrically away from an axis of symmetry towards the substrate edge, so that the flap angle of attack decreases continuously towards the substrate edge.
Es ist ebenfalls vorteilhaft, wenn der Klappenanstellwinkel an korrespondierenden Klappen der verdampfernahen Seite des Substrats größer eingestellt wird als an der zugehörigen, über das Substrat gespiegelten Klappe an der verdampferfernen Seite des Substrats. Vorteilhafterweise sind jene Klappen deren Drehachse weiter von der Symmetrieebene entfernt als die halbe Bandbreite, wobei der Klappenanstellwinkel derart eingestellt ist, dass die Klappenflügel direkt auf die nächstliegende Substratkante zeigen.It is also advantageous if the flap angle of attack on corresponding flaps on the side of the substrate closest to the evaporator is set larger than on the associated flap mirrored over the substrate on the side of the substrate far from the evaporator. Advantageously, those flaps have their axis of rotation further away from the plane of symmetry than half the bandwidth, with the flap angle of attack being set such that the flap blades point directly at the closest substrate edge.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird nach einem Beschichtungsvorgang die abgeschiedene Schichtdicke in einer Messeinheit gemessen, wobei die Verstelleinrichtung in Verbindung mit der Messeinheit wirkt und die Einstellung des Klappenanstellwinkels in Abhängigkeit der Messergebnisse erfolgt.In an advantageous embodiment, after a coating process, the deposited layer thickness is measured in a measuring unit, wherein the adjustment device acts in conjunction with the measuring unit and the adjustment of the flap angle of attack takes place depending on the measurement results.
In einer weiterhin vorteilhaften Ausführungsform wird in dem Verfahren ein bandförmiges Substrat durchlaufend beschichtet.In a further advantageous embodiment, a strip-shaped substrate is continuously coated in the method.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass das bandförmige Substrat während der Beschichtung horizontal oder vertikal geführt wird.One embodiment provides that the strip-shaped substrate is guided horizontally or vertically during coating.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass bei einer vertikalen Bandführung die gegenüberliegenden Klappen beidseitig des Substrates spiegelsymetrisch angestellt werden. Diese Einstellung hat den Vorteil, dass hierdurch eine homogene Schichtdicke auf beiden Substratseiten erzeugt werden kann.One embodiment provides that, in the case of vertical tape guidance, the opposing flaps on both sides of the substrate are positioned mirror-symmetrically. This setting has the advantage that it allows a homogeneous layer thickness to be produced on both sides of the substrate.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass bei horizontaler Bandführung die gegenüberliegenden Klappen beidseitig des Substrates unterschiedlich angestellt werden. Bei einer Anordnung welche den Verdampfer näher zur der Substratunterseite als zur Substratoberseite positioniert vorsieht, stellt sich ohne jegliche Regelung in etwa ein Verhältnis der Schichtdicken der Substratoberseite zur Substratunterseite von 1 : 1,8 ein, dies bedeutet, dass auf der Substratunterseite eine fast doppelt so dicke Schicht sich einstellen würde. Daher kann vorteilhafterweise der Klappenanstellwinkel an der verdampfernahen Seite des Substrats größer eingestellt werden, als jener auf der verdampferfernen Seite, insbesondere um mindestens 10° größer.One embodiment provides that, when the belt is guided horizontally, the opposing flaps on both sides of the substrate are set at different angles. In an arrangement which positions the evaporator closer to the underside of the substrate than to the top of the substrate, without any regulation, the ratio of the layer thicknesses of the top of the substrate to the underside of the substrate is approximately 1:1.8, which means that a layer almost twice as thick would form on the underside of the substrate. Therefore, the flap setting angle on the side of the substrate near the evaporator can advantageously be set larger than that on the side far from the evaporator, in particular at least 10° larger.
Vorteilhafterweise ist das Substrat ein Metallband, insbesondere ein Stahlband und als Beschichtung wird eine metallische Korrosionsschutzschicht bevorzugt auf Basis von Zink abgeschieden.Advantageously, the substrate is a metal strip, in particular a steel strip, and a metallic corrosion protection layer, preferably based on zinc, is deposited as a coating.
Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Vorrichtung zum PVD-Beschichten von metallischen Substraten, insbesondere von Substraten mit unterschiedlicher Substratbreite, insbesondere nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einer Beschichtungseinheit, die insbesondere als Beschichtungskammer ausgebildet ist, mindestens ein Verdampfer vorhanden ist und zwischen dem Verdampfer und einem durch die Beschichtungseinrichtung führbaren Substrat ein Strömungsweg für die Beschichtungspartikel besteht, wobei im Strömungsweg mindestens eine Klappe pro Substratseite vorhanden ist, welche um eine Drehachse zur Beeinflussung des Strömungswiderstands drehbar angeordnet ist, wobei die Drehachse parallel zur Substratebene und vorzugsweise längs zur Transportrichtung des Substrats verläuft.The invention also relates to a device for PVD coating of metallic substrates, in particular substrates with different substrate widths, in particular according to a method according to one of the preceding claims, wherein in a coating unit, which is designed in particular as a coating chamber, at least one evaporator is present and between the evaporator and a substrate that can be guided through the coating device there is a flow path for the coating particles, wherein in Flow path has at least one flap per substrate side, which is arranged to rotate about an axis of rotation to influence the flow resistance, wherein the axis of rotation runs parallel to the substrate plane and preferably longitudinally to the transport direction of the substrate.
Es ist vorteilhaft, wenn die Klappen einen Klappenanstellwinkel besitzen, welcher mittels einer Verstelleinrichtung verstellbar ist, sodass die Klappen unabhängig voneinander verstellbar sind.It is advantageous if the flaps have a flap angle of attack which can be adjusted by means of an adjustment device so that the flaps can be adjusted independently of one another.
Zudem ist es vorteilhaft, wenn zusätzlich zu den Klappen zwei seitliche Blenden, jeweils eine auf beiden Seiten des Substrats, angeordnet sind.In addition, it is advantageous if, in addition to the flaps, two side panels are arranged, one on each side of the substrate.
Es ist ebenfalls vorteilhaft, wenn die seitlichen Blenden einteilig oder mehrteilig ausgebildet sind und mittels einer Verschiebeinrichtung zur Adaptierung an die jeweilige Substratbreite verschiebbar sind.It is also advantageous if the side panels are designed in one or more parts and can be moved by means of a displacement device to adapt to the respective substrate width.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist ein Monoklappen- oder ein Multiklappensystem oder ein kombiniertes Klappensystem in der Beschichtungseinheit vorhanden.In an advantageous embodiment, a mono-flap or a multi-flap system or a combined flap system is present in the coating unit.
In einer weiterhin vorteilhaften Ausführungsform weisen die Klappen Klappenflügel auf, welche in ihrer Länge und/oder Höhe und/oder Breite variieren, wobei eine alternierende Klappenanordnung mit unterschiedlich langen Klappenflügeln einstellbar ist.In a further advantageous embodiment, the flaps have flap wings which vary in their length and/or height and/or width, wherein an alternating flap arrangement with flap wings of different lengths can be set.
Erfindungsgemäß sind die Klappen von einer Symmetrieachse weg zum Substratrand hin symmetrisch angeordnet und weisen einen Klappenanstellwinkel auf, der zum Substratrand hin stetig abnimmt.According to the invention, the flaps are arranged symmetrically away from an axis of symmetry towards the substrate edge and have a flap angle of attack that steadily decreases towards the substrate edge.
Vorteilhafterweise ist der Klappenanstellwinkel korrespondierender Klappen an der Verdampfer nahen Seite des Substrats größer als der Klappenanstellwinkel der zugehörigen, über das Substrat gespiegelten Klappe an der Verdampfer fernen Seite des Substrats.Advantageously, the flap angle of corresponding flaps on the side of the substrate near the evaporator is greater than the flap angle of the associated flap mirrored over the substrate on the side of the substrate far from the evaporator.
Es ist vorteilhaft, wenn bei jenen Klappen deren Drehachse weiter von der Symmetrieebene entfernt sind als die halbe Bandbreite, der Klappenanstellwinkel derart eingestellt ist, sodass die Klappenflügel direkt auf die nächstliegende Bandkante zeigen.It is advantageous if, for those flaps whose axis of rotation is further away from the plane of symmetry than half the bandwidth, the flap angle of attack is set in such a way that the flap blades point directly towards the nearest band edge.
Es ist ebenfalls vorteilhaft, wenn nach der Beschichtungseinheit eine Messeinheit angeordnet ist, welche mit der Verstelleinrichtung der Klappen gekoppelt ist.It is also advantageous if a measuring unit is arranged after the coating unit, which is coupled to the adjustment device of the flaps.
Zudem ist es vorteilhaft, wenn die mindestens eine Beschichtungseinheit als Kammer ausgebildet ist mit einer Einlassseite und einer Auslassseite, wobei das Substrat von der Einlassseite zur Auslassseite führbar ist und wobei einlassseitig und auslassseitig je eine Vakuumschleuse vorhanden sind, sodass ein Substrat kontinuierlich durch die Kammer führbar und beschichtbar ist.In addition, it is advantageous if the at least one coating unit is designed as a chamber with an inlet side and an outlet side, wherein the substrate can be guided from the inlet side to the outlet side and wherein a vacuum lock is present on the inlet side and outlet side, so that a substrate can be continuously guided through the chamber and coated.
Eine Ausführungsform der Vorrichtung sieht vor, dass die Vorrichtung so ausgebildet ist, dass das bandförmige Substrat während der Beschichtung horizontal oder vertikal in der Kammer geführt ist.One embodiment of the device provides that the device is designed such that the strip-shaped substrate is guided horizontally or vertically in the chamber during coating.
Eine Ausführungsform der Vorrichtung sieht vor, dass bei einer vertikalen Bandführung die gegenüberliegenden Klappen beidseitig des Substrates spiegelsymetrisch angestellt sind.One embodiment of the device provides that, in the case of a vertical tape guide, the opposing flaps on both sides of the substrate are positioned mirror-symmetrically.
Eine Ausführungsform der Vorrichtung sieht vor, dass bei horizontaler Bandführung die gegenüberliegenden Klappen beidseitig des Substrates unterschiedlich angestellt sind.One embodiment of the device provides that, when the belt is guided horizontally, the opposing flaps on both sides of the substrate are positioned differently.
Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung beispielhaft erläutert. Es zeigen dabei:
- Figur 1:
- Beschichtungsanlage mit einer horizontalen Substratführung;
- Figur 2:
- Beschichtungsanlage mit einer horizontalen Substratführung und mehreren nacheinander geschalteten Beschichtungs- und Messeinheiten;
- Figur 3:
- Multiklappensystem angeordnet auf einer Ebene sowie mehrteilige, seitlich verschiebbare Blenden für Beschichtung eines breiten Substrats bei einer horizontalen Substratführung;
- Figur 4:
- Multiklappensystem angeordnet auf einer Ebene sowie mehrteilige, seitlich verschiebbare Blenden für Beschichtung eines schmalen Substrats bei einer horizontalen Substratführung;
- Figur 5:
- Multiklappensystem angeordnet auf einer Kreisbahn sowie mehrteilige, seitlich verschiebbare Blenden für Beschichtung eines breiten Substrats bei einer horizontalen Substratführung;
- Figur 6:
- Multiklappensystem angeordnet auf einer Kreisbahn sowie mehrteilige, seitlich verschiebbare Blenden für Beschichtung eines schmalen Substrats bei einer horizontalen Substratführung;
- Figur 7:
- Monoklappensystem angeordnet auf einer Ebene sowie mehrteilige, seitlich verschiebbare Blenden für Beschichtung eines breiten Substrats bei einer horizontalen Substratführung;
- Figur 8:
- Monoklappensystem angeordnet auf einer Ebene sowie mehrteilige, seitlich verschiebbare Blenden für Beschichtung eines schmalen Substrats bei einer horizontalen Substratführung;
- Figur 9:
- Beschichtungsanlage mit einer vertikalen Substratführung;
- Figur 10:
- Multiklappensystem angeordnet auf einer Ebene sowie mehrteilige, seitlich verschiebbare Blenden für Beschichtung eines breiten Substrats bei einer vertikalen Substratführung;
- Figur 11:
- Multiklappensystem angeordnet auf einer Ebene sowie mehrteilige, seitlich verschiebbare Blenden für Beschichtung eines schmalen Substrats bei einer vertikalen Substratführung
- Figur 12:
- Multiklappensystem angeordnet auf einer Kreisbahn sowie mehrteilige, seitlich verschiebbare Blenden für Beschichtung eines breiten Substrats bei einer vertikalen Substratführung;
- Figur 13:
- Multiklappensystem angeordnet auf einer Kreisbahn sowie mehrteilige, seitlich verschiebbare Blenden für Beschichtung eines schmalen Substrats bei einer vertikalen Substratführung;
- Figur 14:
- Monoklappensystem angeordnet auf einer Ebene sowie mehrteilige, seitlich verschiebbare Blenden für Beschichtung eines breiten Substrats bei einer vertikalen Substratführung;
- Figur 15:
- Monoklappensystem angeordnet auf einer Ebene sowie mehrteilige, seitlich verschiebbare Blenden für Beschichtung eines schmalen Substrats bei einer vertikalen Substratführung;
- Figur 16:
- Klappensystem zeigend die Parameter, welche bei der Einstellung des Klappenanstellwinkels berücksichtigt werden.
- Figur 17:
- beispielhafte Beschichtungsverteilung für eine nicht homogene Zielschichtdickenverteilung.
- Figure 1:
- Coating system with a horizontal substrate guide;
- Figure 2:
- Coating system with a horizontal substrate guide and several coating and measuring units connected one after the other;
- Figure 3:
- Multi-flap system arranged on one level as well as multi-part, laterally movable panels for coating a wide substrate with a horizontal substrate guide;
- Figure 4:
- Multi-flap system arranged on one level as well as multi-part, laterally movable panels for coating a narrow substrate with a horizontal substrate guide;
- Figure 5:
- Multi-flap system arranged on a circular path as well as multi-part, laterally movable panels for coating a wide substrate with a horizontal substrate guide;
- Figure 6:
- Multi-flap system arranged on a circular path as well as multi-part, laterally movable panels for coating a narrow substrate with a horizontal substrate guide;
- Figure 7:
- Mono flap system arranged on one level as well as multi-part, laterally movable panels for coating a wide substrate with a horizontal substrate guide;
- Figure 8:
- Mono flap system arranged on one level as well as multi-part, laterally movable panels for coating a narrow substrate with a horizontal substrate guide;
- Figure 9:
- Coating system with a vertical substrate guide;
- Figure 10:
- Multi-flap system arranged on one level as well as multi-part, laterally movable panels for coating a wide substrate with a vertical substrate guide;
- Figure 11:
- Multi-flap system arranged on one level as well as multi-part, laterally movable panels for coating a narrow substrate with a vertical substrate guide
- Figure 12:
- Multi-flap system arranged on a circular path as well as multi-part, laterally movable panels for coating a wide substrate with a vertical substrate guide;
- Figure 13:
- Multi-flap system arranged on a circular path as well as multi-part, laterally movable panels for coating a narrow substrate with a vertical substrate guide;
- Figure 14:
- Mono flap system arranged on one level as well as multi-part, laterally movable panels for coating a wide substrate with a vertical substrate guide;
- Figure 15:
- Mono flap system arranged on one level as well as multi-part, laterally movable panels for coating a narrow substrate with a vertical substrate guide;
- Figure 16:
- Flap system showing the parameters which are taken into account when setting the flap angle of attack.
- Figure 17:
- Example coating distribution for a non-homogeneous target layer thickness distribution.
Das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren wird in einer Beschichtungsanlage 1 durchgeführt (
Eine derartige Beschichtungsanlage 1 kann eine horizontale (
In der Beschichtungsanlage 1 können mehrere hintereinander angeordnete Beschichtungs- 4 und Messeinheiten 5 vorgesehen sein (
Die Beschichtungseinheit 4 kann wie eine Beschichtungskammer ausgebildet sein, in welcher mindestens ein Verdampfer 6 und ein Klappensystem, welches mehrere Klappen 7 umfasst, zur Steuerung der Dampfströmung sowie des Dampfdruckes vorgesehen sind. Die konventionellen Seitenwände können durch seitliche Blenden ersetzt werden, welche in Verbindung mit den Klappen 7 agieren können. Außerdem umfasst die Beschichtungseinheit 4 mindestens zwei Vakuumschleusen 2 und eine Einlass- und eine Auslassseite, sodass das Substrat kontinuierlich eingeführt und beschichtet werden kann.The
Der Verdampfer 6 kann an einer Seite oder an beiden Seiten des zu beschichtenden Substrats 13 angeordnet sein.The
Die Klappen 7 können als Monoklappen 8 oder als Multiklappen 9 ausgebildet sein, sodass eine Mehrzahl von Monoklappen 8 ein Monoklappensystem 10 und eine Mehrzahl von Multiklappen 9 ein Multiklappensystem 11 bilden.The
Es ist auch eine Mischung beider Systeme möglich, sodass Multiklappen 9 und Monoklappen 8 nebeneinander bestehen.It is also possible to combine both systems, so that
Bei einem Multiklappensystem 11 (
Die Quermitte 17 des Substrats 13 weist eine imaginäre Symmetrieachse 18 auf, welche quer zur Transportrichtung des Substrats 13 verläuft. Die Klappen 7 sind von der Symmetrieachse 18 weg zum Substratrand 19 hin symmetrisch angeordnet, sodass der Klappenanstellwinkel 20 zum Substratrand 19 hin symmetrisch um eine bestimmte Winkelgröße abnimmt.The
Die Bezugsgröße für den Klappenanstellwinkel 20 ist die von den Achsen aller Wellen 21 der Klappen 7 auf der Substratseite aufgespannte Ebene.The reference value for the flap angle of
Die Abnahme der Klappenanstellwinkel 20 wird stetig zum Substratrand 19 hin kleiner, wobei der Öffnungswinkel jener Klappe 7 welche am nächsten zur Symmetrieachse 18 angeordnet ist beispielsweise 125° beträgt. Bei einer Anordnung mit 4 Klappen 7 je Quadrant des Kammerquerschnitts könnten die Öffnungswinkel von der Symmetrieachse 18 weg folgende Werte aufweisen: 125°, 90°, 60°, 35°. In diesem Fall beträgt also die Winkeländerung 35°, 30° und 25° und nimmt daher zum Rand hin ab. Seien allgemein die Klappenanstellwinkel von der Symmetrieachse zum Rand hin aufsteigend mit w1, w2, w3,..., wn bezeichnet, dann sollen bevorzugt (wi+1- wi) kleiner (wi- wi-1) sein und alle (wi+1- wi) größer 5 °, aber kleiner als (200 / n) °, damit bis zum Rand hin eine möglichst konstante Schichtdicke erzielt wird.The decrease in the flap angle of
Der Klappenanstellwinkel 20 ist abhängig von der Substratbreite und der gewünschten Schichtdicke variabel verstellbar. Der Klappenanstellwinkel 20 der zum Substratrand 19 hin zeigenden Klappen 7 nimmt mit der abnehmenden Substratbreite ab. Jene Klappen welche, außerhalb des Substrats 13 angeordnet sind, also jene Klappen 7 deren Drehachse weiter von der Symmetrieebene 18 entfernt sind als die halbe Substratbreite, können bevorzugt einen Klappenanstellwinkel 20 aufweisen, sodass die Klappenflügel 22 direkt auf die nächstliegende Substratkante 15 zeigen. So besitzen die zum Substratrand 19 hin zeigenden Klappen 7 bei einem schmalen Substrat 13 einen kleineren Klappenanstellwinkel 20 als bei einem breiten Substrat 13 (
Außerdem ist der Klappenanstellwinkel 20 größer im Bereich der Quermitte 17 des Substrats 13 und nimmt zum Substratrand 19 hin ab.In addition, the flap angle of
Ferner wird an der verdampfernahen Seite des Substrats 13 ein größerer Klappenanstellwinkel 20 eingestellt als an der verdampferfernen Seite des Substrats 13.Furthermore, a larger flap angle of
Für die Verstellung des Klappenanstellwinkels 20 ist es vorgesehen, in einer Beschichtungseinheit 4 Wellen 21 anzuordnen, welche die Klappen 7 tragen. Die Wellen 21 können entlang der Förderrichtung des Substrats 13 oder quer zur Förderrichtung des Substrats 13 angeordnet sein. Vorzugsweise sind die Wellen 21 entlang der Förderrichtung des Substrats 13 angeordnet und durchgreifen die gesamte Beschichtungseinheit 4. Die entsprechenden Klappen 7 sind mit einer Längskante an der Welle 21, welche einer imaginären Drehachse entspricht, drehbar angeordnet und können so bezüglich ihres Anstellwinkels 20 zum Substrat 13 eingestellt werden. Die Drehachse verläuft parallel zur Substratebene und kann quer oder längs zur Transportrichtung des Substrats verlaufen. Eine Anordnung längs zur Transportrichtung kann konstruktive Vorteile für die Vorrichtung aufweisen als auch vorteilhafterweise die Homogenität der Schichtdicke über die Substratbreite weiter erhöhen. Auch kann eine Variierung der Längsausrichtung um 5 bis 45 ° möglich sein, wobei eine Abweichung von plus/minus 5° noch als im Wesentlichen längs zur Transportrichtung interpretiert wird. Die Abweichung von mehr als 5° also eine bewusste "Schrägeinstellung" der Drehachse in Bezug auf die Transportrichtung kann eine alternative Ausführungsform darstellen, welche allerdings konstruktiv herausfordernder sein kann. Bei einer Anordnung quer zur Transportrichtung können die Klappenflügel 22 mehrteilig ausgeführt sein um eine Beeinflussung der Homogenität der Schichtdicke über die Bandbreite des Substrats 13 realisieren zu können.For adjusting the
Stehen die Klappen 7 senkrecht zur Ebene des Substrats 13 wird entsprechend ein geringerer Widerstand der Strömung entgegen gesetzt. Die Klappen 7 können von den Wellen 21 weg eine Erstreckung besitzen, die so groß ist, dass bei Klappen 7 die in der Ebene des Substrats 13 angeordnet sind, die freien Längskanten der Klappe 7 an der jeweils nächsten Welle 21 anliegen oder diese leicht überlappen, sodass bestimmte Bereiche auch gegen die Strömung gesperrt werden können (z.B. bei Substratstillstand). Die Verstellung des Klappenanstellwinkels 20 erfolgt mittels einer Verstelleinrichtung 23, welche sich außerhalb der Beschichtungseinheit 4 befinden kann. Es ist vorteilhaft, wenn jede Klappe 7 ihre eigene Verstelleinrichtung 23 besitzt.If the
Bei einer weiteren Ausführungsform können die Klappenreihen 12 auf einer imaginären Kreisbahn, Parabel oder Ellipse angeordnet sein (
Zudem nimmt der Klappenanstellwinkel 20 der zum Substratrand 19 hin zeigenden Klappen 7 mit der abnehmenden Substratbreite ab. So besitzen die zum Substratrand 19 hin zeigenden Klappen 7 bei einem schmalen Substrat 13 einen kleineren Klappenanstellwinkel 20 als bei einem breiten Substrat 13 (
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann das Klappensystem als ein Monoklappensystem 10 ausgebildet sein (
In dem Monoklappensystem 10 können die Klappenreihen 12 auch auf einer imaginären Kreisbahn, Parabel oder Ellipse angeordnet sein. Unabhängig davon, ob die Klappenreihen sich auf einer Ebene oder auf einer imaginären Kreisbahn, Parabel oder Ellipse befinden, sind die Klappen 7 von der Symmetrieachse 18 weg zum Substrat 13 hin symmetrisch angeordnet und der Klappenanstellwinkel 20 nimmt symmetrisch zum Substratrand 19 hin um eine bestimmte Winkelgröße ab.In the mono-
Bei einem breiten Substrat 13 ist der Klappenanstellwinkel 20 größer als bei einem schmalen Substrat 13 (
Eine andere Ausführungsform sieht eine Beschichtungsanlage 1 mit einer vertikalen Substratführung vor (
Auch bei einer vertikalen Substratführung umfasst die Beschichtungsanlage 1 mindestens zwei Vakuumschleusen 2, mindestens eine Oberflächenaktivierungseinrichtung 3, mindestens eine Beschichtungseinheit 4 und mindestens eine Messeinheit 5.Even with a vertical substrate guide, the coating system 1 comprises at least two
Die Beschichtungseinheit 4 kann wie eine Beschichtungskammer ausgebildet sein, in welcher mindestens ein Verdampfer 6 und ein Klappensystem, welches mehrere Klappen 7 umfasst, zur Steuerung der Dampfströmung sowie des Dampfdruckes vorgesehen sind. Die konventionellen Seitenwände können durch seitliche Blenden ersetzt werden, welche in Verbindung mit den Klappen 7 agieren können. Außerdem umfasst die Beschichtungseinheit 4 mindestens zwei Vakuumschleusen 2 und eine Einlass- und eine Auslassseite, sodass das Substrat 13 kontinuierlich vertikal eingeführt und beschichtet werden kann.The
Der Verdampfer 6 kann an einer Seite oder an beiden Seiten des zu beschichtenden Substrats 13 angeordnet sein.The
Die Klappen 7 können als Monoklappen 8 oder als Multiklappen 9 ausgebildet sein, sodass eine Mehrzahl von Monoklappen 8 ein Monoklappensystem 10 und eine Mehrzahl von Multiklappen 9 ein Multiklappensystem 11 bilden.The
Selbstverständlich ist auch eine Mischung beider Systeme möglich, sodass Multiklappen 9 und Monoklappen 8 nebeneinander bestehen.Of course, a mixture of both systems is also possible, so that
Bei einer vertikalen Substratführung wird das Substrat 13 vertikal entlang der Z-Achse in die Beschichtungseinheit 4 eingeführt. In einer Ausführungsform sind in der Beschichtungseinheit 4 zwei Klappenreihen 12 vorgesehen, die beidseitig vom Substrat 13 auf einer parallel zum Substrat 13 verlaufenden Ebene angeordnet sind. Jede Klappenreihe 12 umfasst zehn Multiklappen 10, welche von der Symmetrieachse 18 weg einen abnehmenden Klappenanstellwinkel 20 aufweisen. Die Abnahme des Klappenanstellwinkels 20 ist von der Substratbreite und der gewünschten Schichtdicke abhängig. Daher ist sie bei einem breiten Substrat 13 langsamer als bei einem schmalen Substrat 13 (
Für eine bessere Steuerung der Dampfströmung sowie des Dampfdruckes wirkt ein derartiges Multiklappensystem 10 in Kombination mit seitlichen Blenden 14, welche einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein können. Die seitlichen Blenden 14 sind beispielsweise mittig und/oder außenmittig drehbar angeordnet. Sie sind in ihrem Winkel verstellbar und können horizontal und/oder lateral verschiebbar ausgeführt werden. Die laterale Verschiebung der seitlichen Blenden 14 wird mittels einer Verschiebeinrichtung 16 ausgeführt.For better control of the steam flow and the steam pressure, such a
Die Abnahme des Klappenanstellwinkels 20 ist bei einem schmalen Substrat 13 größer, insbesondere bei den radial zum Substratrand 19 hin stehenden Klappen 7 (
In einer anderen Ausführungsform können die Klappenreihen 12 auf einer imaginären Kreisbahn, Parabel oder Ellipse angeordnet sein. Es sind zwei Klappenreihen 12 vorgesehen und jede Klappenreihe 12 kann jeweils zehn Multiklappen 9 umfassen, welche aus jeweils zwei Klappenflügel 22 ausgebildet sind. Die Klappenflügel 22 sind auf einer Welle 21 drehbar angeordnet (
Das Substrat 13 wird vertikal entlang der Z-Achse in die Beschichtungseinheit 4 eingeführt. Die Klappenreihen 12 sind beidseitig vom Substrat 13 angeordnet. Der Klappenanstellwinkel 20 ist größer im Bereich der Quermitte 17 des Substrats 13 und nimmt zum Substratrand 19 hin ab. Bei einem breiten Substrat 13 ist die Abnahme der Klappenanstellwinkel 20 langsamer als bei einem schmalen Substrat 13 (
In einer weiteren Ausführungsform mir einer vertikalen Substratführung sind zwei Klappenreihen 12 vorgesehen, die auf einer zum Substrat 13 parallel verlaufenden Ebene angeordnet sind (
In einem Monoklappensystem 10 sind die Klappen 7 als sogenannte Monoklappen 8 ausgebildet. Eine Monoklappe 8 weist einen Klappenflügel 22 auf, welcher an einer Welle 21 drehbar angeordnet ist. Die Welle 21 ist als doppelte Welle mit einer Innenwelle und mit einer äußeren Hohlwelle ausgebildet. Die Verstellung des Klappenanstellwinkels 20 erfolgt durch Betätigung der Wellen mittels einer Verstelleinrichtung 23.In a mono-
In einem Multiklappensystem 11 sind die Klappen 7 als sogenannte Multiklappen 9 ausgebildet. Hierbei sind zwei Klappenflügel 22 an einer Welle 21 angeordnet, welche hierbei vorzugsweise als doppelte Welle mit einer Innenwelle und einer äußeren Hohlwelle ausgebildet ist. Hierdurch kann ein Klappenflügel 22 auf der Innenwelle und ein Klappenflügel 22 an der äußeren Hohlwelle angeordnet werden.In a
Somit können beide Klappenflügel 22 unabhängig voneinander bewegt und angestellt werden, wobei sowohl der Klappenanstellwinkel 20 zum Substrat 13 als auch der Winkel zueinander einstellbar ist. Hierbei kann ebenfalls vorgesehen sein, dass der Abstand der Wellen 21 zueinander dem doppelten der Breite eines Klappenflügels 22 entspricht oder etwas geringer ist.Thus, both
Vorzugsweise besitzen die Klappen 7 eine Erstreckung derart, dass sie die Beschichtungseinheit 4 über die gesamte Länge in Transportrichtung des Substrats 13 durchgreifen.Preferably, the
Durch Verwendung der Multiklappen 9 kann die effektive Breite und die Anzahl an Freiheitsgraden einer Klappe 7 erhöht werden. Dies erhöht die Einstellungsvariabilität des Klappensystems und ermöglicht somit eine bessere Anpassung an unterschiedliche Substratbreiten.By using the
Die Klappenflügel 22 können unabhängig voneinander in X/Y- oder Z-Richtung abgewinkelt werden, sodass das Monoklappensystem 10 oder das Multiklappensystem 11 in jeder beliebigen geometrischen Konfiguration und Winkelstellung verändert werden können. Auch einzelne Klappen 7 in einer Klappenreihe 12 können unabhängig voneinander verstellt werden.The
Demgemäß können die Klappen 7 in einem Klappensystem beispielsweise eine trichterförmige oder eine pfeilförmige Konfiguration innerhalb einer Klappenreihe 12 besitzen.Accordingly, the
In einem Ausführungsbeispiel kann eine Klappenreihe 12 die trichterförmige und die andere Klappenreihe 12 die pfeilförmige Klappenkonfiguration aufweisen.In one embodiment, one row of
In einem weiteren Ausführungsbeispiel können alle Klappenreihen 12 die gleiche Klappenkonfiguration aufweisen.In a further embodiment, all
Zudem kann die Erstreckung der Klappenflügel 22 in ihrer Länge variieren.In addition, the extension of the
In einem Ausführungsbeispiel besitzen alle Klappenflügel 22 die gleiche Länge.In one embodiment, all
In einem weiteren Ausführungsbeispiel können die Klappenflügel 22 unterschiedlich lang ausgebildet sein. So kann ein derartiges Klappensystem lange und kurze Klappenflügel aufweisen. Hierbei ist durch Verwendung unterschiedlich langer Klappenflügel 22 eine alternierende Klappenanordnung innerhalb einer Klappenreihe 12 möglich.In a further embodiment, the
In einem Monoklappensystem 10 können kurze und lange Monoklappen 8 alternierend innerhalb einer Klappenreihe 12 angeordnet sein.In a mono-
In einem Multiklappensystem 11 kann eine Multiklappe 9 einen kurzen und einen langen Klappenflügel 22 besitzen.In a
Durch Verwendung unterschiedlich langer Klappenflügel 22 kann die Lenkung des Metalldampfes von der Steuerung der Durchflussrate getrennt werden. Die langen Klappenflügel 22 dienen primär der Lenkung des Gasstromes, während die kurzen Klappenflügel 22 als ein Strömungshindernis zur Einstellung der Durchflussrate fungieren. Die Länge der kurzen Klappenflügel 22 wird so gewählt, dass die Gasströmung auch bei einer senkrechten Ausrichtung der Klappen 7 nicht vollständig unterbunden wird. Sind die Klappen 7 parallel zu einander und parallel zur Strömungsrichtung ausgerichtet, erreicht die Durchflussrate ihren Maximalwert.By using
Das Klappensystem wirkt in Kombination mit den seitlichen Blenden 14, welche einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein können. Hierbei werden konventionelle Seitenwände einer Beschichtungseinheit 4 durch Blenden ersetzt. Dies führt zu höheren Schichtdicken am Substratrand 19. Außerdem wird hierbei eine komplette Abschottung des Substrats 13 durch Seitenwände verhindert.The flap system works in combination with the
Die seitlichen Blenden 14 sind beispielsweise mittig und/oder außenmittig drehbar angeordnet. Sie sind in ihrem Winkel verstellbar und können horizontal und/oder lateral verschiebbar ausgeführt werden. Die laterale Verschiebbarkeit der seitlichen Blenden 14 wird dadurch erreicht, dass diese beispielsweise auf Tragarmen gelagert sind, die über einen entsprechenden Verschiebungsfreiheitsgrad zum Substrat 13 verfügen und über einen Antrieb betätigt werden.The
In einer vorteilhaften Ausführung beinhaltet jeder Tragarm individuell ansteuerbare Antriebe zur Einstellung der Anstellwinkel der sich darauf befindlichen seitlichen Blenden 14.In an advantageous embodiment, each support arm contains individually controllable drives for adjusting the angle of attack of the
Die Verwendung der seitlichen Blenden 14 führt zu einer verbesserten Gleichmäßigkeit der Schicht an den Substraträndern 19. Dies wird durch Aufstau- bzw. Abschirmungswirkungen erreicht. Außerdem kann durch Linearführungen der seitlichen Blenden 14 der Abstand zum Substrat 13 bei variierenden Bandbreiten gezielt verändert werden. Die Verschiebung der seitlichen Blenden 14 mittels Tragarmen hat den Vorteil, im Vergleich zu einer konventionellen Verschiebung, dass keine komplizierte Mechanik mit Linearführungen innerhalb der mit der gasförmigen Beschichtungssubstanz beladenen Beschichtungseinheit 4 notwendig ist.The use of the
Die Parameter, welche bei der Verstellung der Klappen berücksichtigt werden, sind in
Die Erfindung wird beispielhaft anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert.The invention is explained by way of example using an embodiment.
Es wird ein Substrat 13 beschichtet, das eine Dicke von 1 mm aufweist. Das Substrat 13 wird vertikal in die Z-Richtung befördert. Die Beschichtungseinheit 4 ist mit einem Verdampfer 6, zwei seitlichen Blenden 14 und zwei Klappenreihen 12 ausgestattet, welche jeweils sechs Monoklappen 9 umfassen. Die verdampfernahen Monoklappen 9 weisen eine trichterförmige und die verdampferfernen Monoklappen 9 eine pfeilförmige Konfiguration auf.A
Die Partikeldichte direkt am Verdampfer 6 beträgt 6,6·1020 Teilchen/m3, während die Partikeldichte an der entgegengesetzten Seite der Beschichtungseinheit 4 3,9 ·1020 Teilchen/m3 beträgt. Hierbei ist die Partikeldichte an beiden Seiten des Substrats 13 gleichmäßig und beträgt 1,42 ·1020 Teilchen/m3.The particle density directly at the
Die Verwendung eines derartigen Klappensystems ermöglicht eine gleichmäßige Gasverteilung an der verdampfernahen und verdampferfernen Seite des Substrats 13, sodass eine homogene Schichtdicke über die ganze Breite des Substrats erreicht wird. Außerdem kann durch die sehr niedrige Partikeldichte eine hohe Effizienz der Abscheidung erzielt werden. Darüber hinaus kann hierdurch auch die Gefahr der Tröpfchenbildung am Substrat weiter reduziert werden.The use of such a flap system enables a uniform gas distribution on the side of the
Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Klappensystems in Verbindung mit den seitlichen Blenden 14 wird eine gleichmäßige Gasverteilung im Bereich des Substrats 13 erreicht und zwar unabhängig von der Position oder Anzahl der Verdampfer. Dies führt zu einer homogenen Schichtdicke über die ganze Breite des Substrats 13. Zudem wird die Abnahme der Schichtdicke am Rand gering gehalten.By using the flap system according to the invention in conjunction with the
Ferner werden im Bereich des Substrats 13 sehr niedrige Partikeldichten erreicht. Dies erhöht die Prozesseffizienz und verringert die Gefahr der Tröpfchenbildung.Furthermore, very low particle densities are achieved in the area of the
Die flexible Einstellung der Klappenanstellwinkel 20 sowie der seitlichen Blenden 14 ermöglicht eine flexible und schnelle Anpassung an unterschiedlichen Substratbreiten.The flexible adjustment of the
Mit der Erfindung gelingt es somit, ein effizientes und flexibles Klappensystem für die Dampfphasenabscheidung von Schichten auf unterschiedlich breite Substrate 13 zu schaffen. Erfindungsgemäß lassen sich mit dem Klappensystem gleichmäßige Schichten bei geringem Strömungswiderstand abscheiden. Außerdem wird mit der Erfindung ein Ansteuerungssystem geschaffen, das seitliche Blenden 14 für den Randbereich des Substrats 13 umfasst und Einstellungsmöglichkeiten für die Beschichtung unterschiedlich breiter Substrate 13 bietet. Dies ermöglicht eine effiziente Anlagenauslastung.The invention thus succeeds in creating an efficient and flexible flap system for the vapor phase deposition of layers on
Claims (15)
- PVD process for depositing metallic layers from a vapour phase onto metallic substrates, in particular onto substrates with different bandwidths, whereinin a coating unit at least one evaporator and one substrate are present and there is a flow path for the coating particles between the evaporator and the substrate,characterized in thatat least one flap (7) per substrate side is present in the flow path, which is rotatably arranged about an axis of rotation to influence the flow resistance, wherein the axis of rotation runs in a plane parallel to the substrate plane (13) and preferably longitudinally to the transport direction of the substrate (13), wherein the flaps (7) are arranged symmetrically away from a symmetry axis (18) towards the substrate edge (19), so that the flap angle of attack (20) decreases continuously towards the substrate edge (19).
- PVD process according to Claim 1, wherein the flaps (7) have a flap angle of attack (20) that can be adjusted by means of an adjustment apparatus (23), so that the flaps (7) are adjustable independently of one another.
- PVD process according to Claim 1 or 2, wherein the flaps (7) act in conjunction with lateral blinds (14) arranged on both sides.
- PVD process according to Claim 3, wherein the lateral blinds (14) are formed in one piece or in multiple pieces and are displaceable by means of a displacement apparatus (16) for adaptation to the respective substrate width.
- PVD process according to any one of the preceding claims, wherein the flap angle of attack (20) is set to be greater at the corresponding flap of the side of the substrate (13) close to the evaporator than at the associated flap mirrored over the substrate on the side of the substrate (13) distal from the evaporator.
- PVD process according to any one of the preceding claims, wherein for those flaps whose axis of rotation is further away from the symmetry plane than half the bandwidth, the flap angle of attack (20) is set in such a manner that the flap wings (22) point directly to the nearest substrate edge (15).
- PVD process according to any one of the preceding claims, wherein after a coating process, the deposited layer thickness is measured in a measuring unit (5), wherein the adjustment apparatus (23) acts in conjunction with the measuring unit (5) and the flap angle of attack (20) is set depending on the measurement results.
- PVD process according to any one of the preceding claims, characterized in that in a vertical band guide, the opposing flaps are set mirror-symmetrically on both sides of the substrate.
- PVD process according to any one of Claims 1 to 8, characterized in that in a horizontal band guide, the opposing flaps are set differently on both sides of the substrate, the flap angle of attack of the flaps near the evaporator is preferably greater than that of the flaps distal from the evaporator, preferably at least 10° greater.
- Device for PVD coating of metallic substrates, in particular of substrates with different substrate widths, in particular according to a process according to any one of the preceding claims,
characterized in that
in a coating unit (4) that is designed in particular as a coating chamber, at least one evaporator (6) is present, and between the evaporator (6) and a substrate (13) that can be guided through the coating apparatus, there is a flow path for the coating particles, wherein at least one flap (7) per substrate side is present in the flow path, which is rotatably arranged about an axis of rotation to influence the flow resistance, wherein the axis of rotation lies in a plane parallel to the substrate plane (13) and preferably longitudinally to the transport direction of the substrate (13), wherein the flaps (7) are arranged symmetrically away from a symmetry axis (18) towards the substrate edge (19) and have a flap angle of attack (20) that decreases continuously towards the substrate edge (19). - Device according to Claim 10, wherein the flaps (7) have a flap angle of attack (20) that can be adjusted by means of an adjustment apparatus (23), so that the flaps (7) are adjustable independently of one another.
- Device according to Claim 10 or 11, wherein two lateral blinds (14) are arranged one on either side of the substrate in addition to the flaps (7).
- Device according to Claim 12, wherein the lateral blinds (14) are formed in one piece or in multiple pieces and are displaceable by means of a displacement apparatus (16) for adaptation to the respective substrate width.
- Device according to any one of Claims 10 to 13, wherein a measuring unit (5) that is coupled to the adjustment apparatus (23) of the flaps (7) is arranged after the coating unit (4).
- Device according to any one of Claims 10 to 14, characterized in that in a vertical band guide, the opposing flaps are set mirror-symmetrically on both sides of the substrate.
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